AFM：仿生纳米云母片-芳纶纤维复合材料助力绝缘性能的提升

高性能绝缘材料一直以来都被广泛应用于电气设备上。随着现代电气工业向高频、高压、大功率方向的快速发展，电气设备对电绝缘材料的要求越来越高。为了确保电气设备的可靠性、耐久性和安全性，通常都要求电气绝缘材料具有更高的电气绝缘性能、机械性能和热性能，以及对极端工作环境的抵抗力。

云母片和芳纶微纤维具有优良的电绝缘性能、高抗拉强度和突出的耐高温性，因此这两种材料通常被复合在一起生产复合绝缘薄膜材料，并且被广泛应用于电气设备上。为了满足电气绝缘材料的发展需求，实现更佳的绝缘性能和机械性能，通常会采用云母纳米片（MICA）和芳纶纳米纤维（ANFs）为基础材料复合出绝缘性能更优良的纳米复合材料。能实现材料性能的提升主要是因为纳米材料在保有宏观材料本来性能的同时具有更大的比表面积，使得不同材料之间形成增强的界面相互作用。然而，由于材料的微观结构的调控上的不足，利用云母纳米片和芳纶纳米纤维所组成的复合材料的性能的提升十分有限。

近期，中国科学技术大学俞书宏院士课题组通过改善结构的有序性、致密性和层间相互作用可以获得同时改善机械和电绝缘性能的类贝壳结构芳纶-云母纳米薄膜材料（APM）。这种材料的最大拉伸强度和击穿强度分别达到292 MPa和176 KV mm-1，这性能优于商业化的基于芳纶纳米纤维的薄膜材料。值得一提的是，这种芳纶云母纳米薄膜材料对实际应用中常见的高温（250-300℃）和油浴（100℃）环境表现出很高的耐受性，并且可以多次循环使用。该工作以题为“Recyclable Nacre-Like Aramid-Mica Nanopapers with Enhanced Mechanical and Electrical Insulating Properties”的文章发表于Advanced Functional Materials上。

类贝壳结构APM复合薄膜的制备与性能

首先采用芳纶微纤维（Kevlar线）在二甲亚砜（DMSO）溶液中在乙醇钾处理下实现去质子化，制备出平均直径为13.22纳米且表面有丰富的酰胺基团的芳纶纳米纤维。 而纳米云母片则是采用液相剥离方法，从低成本的天然云母微片中制备了平均厚度为1纳米，平均横向长度为578纳米的云母。利用聚乙烯亚胺（PEI）作用纳米粒子表面改性剂，实现云母在ANF基质中更好的分散，同时让二者之间具有更强的界面相互作用。云母和ANFs混合均匀后采用喷雾法制备层状纳米复合材料薄膜。为了减少云母片之间的这些空隙，通过垂直于其平面的方向进行压制处理，改善云母的排列和复合薄膜的密度。

通过相应的机械性能测试，含有40％云母的APM纳米薄膜具有最高的拉伸强度（261 MPa）和杨氏模量（5.0 GPa），分别比其他方法制备的ANF纳米薄膜高58％和194％。通过实验证明ANFs和PEI-云母之间的界面氢键作用以及这些纳米薄膜的分层结构对复合材料的机械性能提升有很大的贡献。在经过30 MPa的压力处理后，P-APM纳米纸的拉伸强度和杨氏模量进一步提高，达到292MPa和5.6GPa，这应该归因于云母排列的改善和所制备的P-APM纳米薄膜的致密化。

进一步系统地研究了这些纳米薄膜的电绝缘性能，以验证可以通过微观结构设计和优化的思路实现电绝缘性能的提升。击穿强度（Eb）是电绝缘材料的主要性能指标。经测量，P-APM纳米薄膜的Eb为176 kV mm-1，高于纯ANF纳米薄膜和其他类似的电绝缘纳米薄膜。具有类贝壳结构的P-APM纳米薄膜的电击穿在室温下由雪崩式电子击穿机制主导。均匀和紧凑的类贝壳微结构与排列整齐的云母为击穿电子传播提供了迂回的路径，因此P-APM纳米薄膜具有卓越击穿强度。值得注意的是，这种P-APM纳米薄膜的拉伸强度和击穿强度都高于以前报道的大多数基于ANF的纳米薄膜，以及基于超细芳纶纤维的商业绝缘纳米薄膜。因此这种绝缘材料的综合性能优于绝大多数类似的绝缘材料。

类贝壳结构纳米云母片-芳纶纤维复合薄膜的耐候性研究

在实际应用中，电气绝缘纸经常暴露在高温环境中（100-250℃），这可能会破坏材料内部结构，导致机械性能和电气绝缘性能下降。然而，暴露在200℃条件下24小时的P-APM纳米薄膜的拉伸强度和杨氏模量与未经处理的试样几乎相同。在更高温条件下（≤250℃）P-APM纳米薄膜所保留的机械性能已经可以满足大多数电气设备的操作要求。即使在300℃处理24小时后，其拉伸强度和杨氏模量仍可保持在156 MPa（原始值的54%）和7.5 GPa（原始值的134%）。其次是P-APM纳米薄膜击穿强度在不同温度下的稳定性。随着处理温度从200℃增加到300℃时，P-APM纳米薄膜击穿强度有小幅提高。特别是，当处理温度为300℃时，P-APM纳米薄膜的击穿强度为211 kV mm-1，比其原始值高20%，优于AM纳米薄膜和APM纳米薄膜。这些数据都证明了P-APM纳米薄膜高温下的性能稳定性。

小结：该文通过将高性能的组分（ANFs和PEI-云母）组装成具有合理优化的结构有序性、致密性和层间相互作用的类贝壳结构，制造出了同时具有优异的机械性能和电绝缘性能的芳纶云母纳米薄膜。该材料在高温（250-300℃）和油浴（100℃）环境下能保持较高的机械和电绝缘性能，满足了实际应用的要求。所报道的芳纶云母纳米薄膜（P-APM）作为一种高性能的先进绝缘材料，在高电压和快频率电气工程设备中的应用具有很大的潜力。

封面来源：图虫创意